数字全息技术
数字全息技术
数字全息技术作者：王栎汉专业：数字多媒体专业11界指导老师：李德概要：数字全息技术是随着现代计算机和CCD技术发展而产生的一种新的全息成像技术。
文章主要介绍数字全息技术的基本原理。
关键词：全息技术、图像重建一：数字全息技术背景二：数字全息技术的应用三：数字全息技术的制作过程一：数字全息技术背景全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。
与传统的全息技术相比，数字全息是用光电传感器件（如CCD或CMOS）代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机的一种新技术。
用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。
即用计算机产生和重现全息图像。
把物理成像过程扩展到数字过程。
计算机产生全息图像的基本特点是它不需要空间物体的真实存在，而是从物体的数学描述开始，计算出全息图。
任何能够用数学描述的一维、二维、三维物体都能够做出计算机的全息图。
二：数字全息技术的应用全息技术通过记录物光振幅和相位的方法能够达到记录和恢复物体三维信息的目的。
全息技术的这一特性使得它被广泛应用于科学研究、工业检测、商业包装和艺术设计等领域。
数字全息技术是以传统光学全息为基础，使用CCD数字化地记录全息干涉条纹。
数字全息图能够通过计算机，实现数字再现以及物体变形的测量；同时数字全息图也可以利用空间光调制器实现物体三维信息的空间再现。
因此数字全息技术主要运用在水下侦探，固体无损检验，地球物理探测，雷达技术等方面。
数字全息技术最成熟的应用之一是光学原件表面形状的检测。
由透镜的设计数据在计算机上计算出标准波前，并制成全息图。
三：数字全息技术的原理及制作过程使用计算机产生全息图像包括两个部分：1、首先是建立物体的数学描述，并送入计算机，计算出它在空间的一个面上的光波分布。
2、确定一个能够记录计算结果的方法。
把计算出的复数波前记录在胶片上或类似的材料上。
就制成了全息图。
引用文献：屈大德《数字全息技术概论》邹宾《基于数字全息图像再现技术研究》郑德香、张岩、沈京玲、张存林《数字全息技术的原理和应用》。
数字全息
离轴数字全息系统
离轴数字全息记录
（1）
离轴数字全息记录
（2 ）
离轴数字全息记录
考虑到CCD在采样过程中的积分效应，则离散光强分布为：
CCD记录的干涉光强由数据采集卡采集并量化后送到计算机中保存，其结果是一个数字矩阵，即 数字全息图。
离轴数字全息再现
在数字全息中，再现过程并不需要实际进行，而是由计算机模拟光学全息中的再现过程，根据 衍射公式进行数值计算，从而获得物体光的复振幅分布。 数字全息再现过程分为两步： （1）用再现光波与全息图相乘，从而得到透过全息图的再现物体光； （2）根据标量衍射理论，数值模拟光波在自由空间的衍射过程，计算聚焦像平面的再现物体 光的数字分布，得到物体的光强分布和相位分布。
来自激光器的光波经分光镜分束后 变成两束光波，其中一束为物体光波， 该光波经反射镜反射并经扩束镜扩束后 照明物体，然后经物体漫反射后再垂直 照射CCD靶面；另一束为参考光波，该 光波经反射镜反射并经扩束镜扩束后直 接照射CCD靶面，参考光波相当于来自 物面上一点的球面参考光波。物体光和 参考光在CCD靶面由于相干叠加而形成 菲涅耳全息图。
和
END
离轴数字全息再现
用该再现光波照射全息图，即再现光波与全息图强图相乘，照射后的透射光波可表示为：
其离散形式为：
离轴数字全息再现
如果用卷表示，则可表示为：
式中
离轴数字全息再现
忽略exp因子，得
在离轴数字全息中，再现像在空间是分开的，因此如果仅考虑再现实像，有
其离散形式为
因此可得光强和相位分布分别为
数字全息
与光学全息一样，数字全息也包括记录和再现两个步骤：首先，物 体表面发出的物体光波与参考光波在CCD靶面发生干涉，其光强分布由 CCD记录，并送到计算机保存，其结果是一个数字矩阵，即数字全息图； 其次，由计算机模拟光波衍射来再现物体光波，通过数值计算，获得再 现光波的复振幅分布。
全息数字化的意义展示
全息数字化的意义展示篇一：全息数字化是指将物体或信息以全息影像的形式进行数字化处理的技术。
它可以将平面图像或实体物体转化为逼真的全息影像，使得观察者可以从不同的角度观察和体验物体的立体感。
全息数字化的意义展示在以下几个方面：1. 提升视觉体验：全息数字化可以为观察者带来更加真实、逼真的视觉体验。
传统的平面图像或视频无法呈现出物体的真实形态和立体感，而全息数字化可以通过投影技术创建出立体的影像，使观察者感受到立体物体的存在感。
这样的体验对于教育、娱乐和艺术等领域都具有重要意义。
2. 提升信息传递效果：全息数字化可以将复杂的信息以直观的方式展示出来，提高信息的传递效果和理解度。
通过全息数字化技术，可以将大量的数据、模型或图表以立体的形式呈现，使观察者更容易理解和记忆。
在教育领域，全息数字化可以使抽象的概念变得具体可见，提高学习者的学习效果。
3. 拓展应用领域：全息数字化技术在多个领域都有广泛的应用潜力。
在医学领域，全息数字化可以帮助医生更好地理解和操作复杂的解剖结构，提高手术的精确度。
在工程领域，全息数字化可以用于设计和展示产品原型，提供更加直观的沟通与协作方式。
在娱乐领域，全息数字化可以为观众带来更加身临其境的娱乐体验，例如在演唱会或体育比赛中使用全息影像技术。
4. 推动科学研究与创新：全息数字化技术的发展也为科学研究和创新提供了新的可能性。
例如，在化学领域，全息数字化可以用于模拟和分析分子结构和反应过程，帮助科学家更好地理解和预测化学反应的性质。
在虚拟现实和增强现实领域，全息数字化可以与其他技术结合，创造出更加沉浸式的虚拟体验，拓展现实世界与虚拟世界的交互界面。
总之，全息数字化的意义展示在于提升视觉体验、改善信息传递效果、拓展应用领域和推动科学研究与创新。
随着技术的不断进步与应用的推广，全息数字化将为人们带来更加丰富多彩的视觉体验和创新应用。
篇二：全息数字化的意义展示全息数字化是一项引人注目的技术，它将物体或者场景以三维的形式呈现出来，给人一种身临其境的感觉。
全息技术——数字全息术发展现状及趋势
① 直射光 （ 再现光 ） ~~~ A ep[ic ( x, y )]
② 原始像 （ 虚 像 ）
~ ③ 第三项 （实、或虚）~~~ C exp[ io ( x, y)]
~~~ B exp[ io ( x, y )]
膺像：凸、凹 正好相反 ！
五、全息图的实际应用：
1、全息图像显示：
* *
I A [ R( x, y ) O( x, y )][ R ( x, y ) O ( x, y )] I R I o 2 I R I o cos[ R ( x, y ) o ( x, y )]
I R I o 2 I R I o cos ( x, y)
光栅； 透镜； 波带片等。
5、光学信息处理技术：
图像识别； 图像的消模糊和边缘增强； 图像的假彩色编码。
六、全息技术的发展方向和趋势：
1、全息元件：
一些特殊作用的全息元件研制等。
2、全息加密技术：
如何进一步提高全息图的技术含量。
3、全息计量技术：（非线性曝光；增加光程差）
如何进一步提高测量的精度 ； 干涉条纹
。。。。（1）
等式（1）又可化为：
I ( I 0 , ) I 0 [1 V cos ( x, y)]
这里，（2）式中的
。。。（2）
I 0 I R I o 表示物光和参考光的强度
2 I R Io 之和， V 表示干涉条纹的反衬度。 I R Io
另外，根据光路结构参数，通过求解 ( x, y ) ， 可以得到干涉条纹的空间频率：
全息图片
全息图片
全息图片
四、全息过程的基本理论：
实验现象 1、基本理论
（1）记录过程：光波的干涉
数字全息术及其应用
数字全息术在安全监控、军事 侦察、通信加密等领域也有潜 在的应用价值。
未来发展方向
1
数字全息术需要进一步发展高分辨率和高灵敏度 的图像传感器和显示器，以提高图像质量和稳定 性。
2
数字全息术需要进一步研究高效的算法和计算技 术，以实现更快速的计算和数据处理。
3
数字全息术需要进一步探索与其他技术的结合， 如人工智能、机器学习等，以拓展应用领域和提 高应用效果。
防伪鉴别
利用数字全息技术可以生成具有唯一 性的光学防伪标签，用于产品的真伪 鉴别。
生物医学成像
显微成像
数字全息术可以用于显微成像，提供高分辨率的细胞和组织结构细节。
生物样品成像
利用数字全息技术可以对生物样品进行无损、无标记的成像，观察细胞和组织的结构和功能。
04
数字全息术面临的挑战与前 景
技术挑战
液晶显示生成全息术的优点在于其低成本和易于集成，适用于需要小型化和轻量 化的场合。此外，液晶显示还可以与其他技术相结合，如柔性显示技术等，实现 可弯曲的全息显示。
03
数字全息术的应用领域
光学信息处理
光学图像处理
数字全息术能够用于光学图像的 处理，包括图像增强、去噪、复 原等，提高图像的清晰度和质量 。
06
数字全息术的实际应用案例
数字全息术的实际应用案例 在光学信息处理中的应用案例
光学信息处理
数字全息术在光学信息处理领域的应用包括全息干涉计量、全息光学元件、全息存储器 等。通过数字全息技术，可以实现高精度、高分辨率的光学信息处理和存储，提高光学
系统的性能和稳定性。
3D显示
数字全息术在3D显示领域的应用包括全息投影和全息电视等。通过数字全息技术，可 以实现高清晰度、高逼真的3D显示，为观众提供沉浸式的视觉体验。
全息三维成像技术的新方法与新技术
全息三维成像技术的新方法与新技术全息三维成像技术是一种利用激光或电子束等来记录物体图像并实现三维成像的技术。
近年来，随着技术的发展和应用场景的不断扩展，全息三维成像技术也迎来了新的方法和新的技术，不断推动着其在医学、航天、军事等领域的应用。
一、数字全息技术数字全息技术将数字图像处理与全息成像相结合，可以实现更高的分辨率和更大的深度视差。
数字全息技术的成像系统只需一部相机，就可以捕捉到被记录物体的全息信息，并用计算机处理后形成图像。
数字全息技术的优势不仅仅在于成像效果上，在数据存储和传输上也有很大的优势，可以方便地实现高效的数据管理和分析。
数字全息技术在医学领域的应用也越来越广泛，可以实现人体内部的三维成像，帮助医生进行准确的诊断和治疗。
此外，数字全息技术还可以应用于电子商务、虚拟现实等领域，为数字化时代的发展提供了更多可能性。
二、光学全息技术光学全息技术是一种传统的全息成像技术，它是利用光的波干涉原理来实现三维成像的。
光学全息技术的优势在于可以记录物体的全息信息，实现整个物体的三维成像。
同时，光学全息技术还有较高的可扩展性，可以应用于光学处理、材料表征、无线电等领域。
在医学领域，光学全息技术被广泛用于细胞成像、分子成像和组织成像等领域。
同时，光学全息技术也可以应用于安防、检测等领域，为人们的生产和生活提供更多的保障。
三、全息存储技术全息存储技术是一种将数据记录到全息图中并进行存储的技术。
全息存储技术的最大优势在于存储密度极高，可以实现超过1000GB的存储容量。
与传统的数字存储技术相比，全息存储技术的存储密度是其30倍以上。
此外，全息存储技术还具有对数据实现快速存储和访问的优势。
全息存储技术在大数据存储和处理、云计算等领域都有着广泛的应用。
尤其是在医学领域，全息存储技术可以为电子病历、医疗图像等提供高效、安全的存储解决方案。
总之，全息三维成像技术正在不断发展和创新，为我们带来更多的可能性和应用场景。
数字全息技术的基本原理
数字全息技术的基本原理
数字全息技术是一种先进的图像处理技术，它能够以数字化的方式将三维物体
的信息转换为可视的全息图像。
其基本原理是利用计算机生成三维模型，并通过算法将其转化为光学信息，最终以全息图像的形式呈现出来。
首先，数字全息技术需要获取被拍摄物体的三维信息。
这可以通过使用3D扫
描仪或者立体摄像机来实现。
这些设备能够捕捉到被拍摄物体的几何形状和纹理信息，并将其转换为数字表示形式。
接下来，这些数字化的数据将经过计算机处理。
计算机将使用一系列算法来处
理这些数据，以生成物体的三维模型。
这个模型包含物体的表面形状、纹理信息和其他细节。
在生成三维模型后，数字全息技术需要将其转化为适合全息图像展示的格式。
这一过程涉及将三维模型分解为数百万个微小的光学记录点，每个点都包含有关物体表面的信息。
这些记录点的位置和属性将被编码到光学介质中。
最后，当光源照射到编码后的光学介质时，光线将与介质中的记录点相互作用，形成干涉，并在观察者的眼睛中形成全息图像。
这种全息图像能够产生逼真的三维效果，并具有较高的视角和深度感。
数字全息技术的基本原理可总结为将三维物体的信息数字化，并通过算法将其
转化为可编码的光学介质，最终产生逼真的全息图像。
这项技术在许多领域中有广泛的应用，如医学、工程、艺术等。
随着技术的不断发展和改进，我们可以期待数字全息技术在未来的进一步创新和应用。
数字全息
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数字全息
数字全息的原理
物光复振幅的提取
U O ( x, y )
U H ( , )
y
η
x
d
ξ
H
O
数字全息的坐标系统
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数字全息
数字全息的原理
设参考光在CCD表面的复振幅为 R ( , ) 则CCD表面的光强分布为：
2 2 2
IH U H R
2
27
39
47
1
20
31
46
0
50 example1
100 example2
150 example3
200
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180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 31 20 39 90 32 28 21 4 example3 47 46 43 35 45
数字全息
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数字全息
数字全息的概念 数字全息的原理 数字全息再现算法
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数字全息的概念
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数字全息
数字全息的概念 数字全息用光电传感器件如CCD或CMOS摄
像机代替传统全息中的银盐干板来记录全息图 ，全息图以数字图像的形式被输入计算机，用
上的物波分布。 4、便于通过计算机编程来消除各种像差、噪声等因素对再现像的
影响，提高再现像的像质。
5、能定量的得到被记录物体再现像的振幅和相位信息，由此可以 得到被记录物体表形貌分布等信息，可方便地用来ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ行多种测量。
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其中 G 代表菲涅耳变换算符 , A = G G , a1 , <1 , a2 , <2 分别是光波在物体平面和全息图平面上的振幅 和相位分布 . 杨 - 顾算法也是一种相当重要的方法 , 它不仅解决了一般位相恢复算法中能量损失的问 题 ,而且适用于多波长和多平面系统 ,基本不受初始 值的影响 ,因此采用杨 - 顾位相恢复算法处理的重 建图像具有更高的分辨率 . 图 ( 2) 给出了利用杨 - 顾 算法重建纯吸收物体全息图的一个结果[7 ] , 重建图 像中由头发组成的十字叉丝十分清晰 . 除了上述的几种方法外 ,小波变换 [8 ] ,分数傅立 叶变换 [9 ] 等都可以用来进行数字全息的重建 , 这里 就不再一一赘述 .
3. 1 菲涅耳变换法
当物体与全息图平面的距离远大于物体的尺寸 时 ,我们可以利用离散逆菲涅耳变换重建原物像[3 ] , 即
M- 1 N- 1
( m , n) = u′
j =0
∑∑h ( j , l ) r ( j , l ) ・
l =0
exp
( Δ ζ + lΔ η ) exp i2 π λ j d′
Principle and applications of digital holography
ZHENG De2Xiang ZHANG Yan SHEN Jing2Ling ZHANG Cun2Lin
( Department of Physics , Capital Normal University , Beijing 100037 , China)
物理学和高新技术 有助于提高信噪比 ,特别适合于短波长光波成像 . 如 图 3 ( a) 所示 ,原始的样品是沉积在玻璃表面的一个 图案 ,高度约 330nm. 图 3 ( b) 给出了经过相位恢复算 法得到的重建二维图像 ,不难发现 ,原始图像得到了 很好的恢复 . 图 3 ( c ) 是相应物体的三维图 , 恢复的 三维图中物体的高度分布清晰可见 . 这是由于算法 中物体的高度与位相成一定的比例关系 . 分布以及随外界负荷增大时的一系列全息图 , 用以 π 为单位的解卷绕的方法对每个位相图进行实时 2 处理 ,将所有的中间值相加 ,即可以获得整个物体的 位相 变 化 , 而 不 需 要 任 何 进 一 步 的 解 卷 绕 的 处 理 [11 ] . 采用卷绕方法处理的受热发生形变的位相分 布图如图 4 ( a ) 所示 , 我们可以得到干涉条纹 , 但具 体变化并不清晰 . 如果把测量过程分成 85 步 , 且每 π ,在每一步中采用实时解 一步的位相值都不超过 2 卷绕的方法处理 , 就可以得到清晰的结果 [ 如图 4 ( b) 所示 ] .
物理学和高新技术
数字全息技术的原理和应用 3
郑德香 张 岩 沈京玲 张存林
( 首都师范大学物理系 北京 100037)
摘 要 数字全息是随着现代计算机和 CCD 技术发展而产生的一种新的全息成像技术 . 文章主要介绍数字全息 技术的基本原理 ,数字全息重建中的主要方法以及数字全息技术以其独特的优点在各个领域中的应用 . 关键词 数字全息 ,图像重建 ,微结构检测
3. 2 卷积法
由于衍射积分可以看作是物波函数与自由空间 脉冲响应函数
图1 光学全息示意图 (a) 传统的光学全息 ; ( b) 计算全息 ; (c) 数字全息
) = g ( x′ , y′ ,ζ,η
2 ) 2 + (η - y′ )2 1 exp i k d′ + (ζ - x′ 2 iλ ) 2 + (η - y′ )2 d′ + (ζ - x′
33 卷 (2004 年) 11 期
3
4 数字全息的应用
随着现代计算机技术和 CCD 技术的日臻完善 , 数字全息技术也走出了实验室 , 在许多方面得到了 实际应用 . 4. 1 纯相位物体成像 数字全息能够测量具有任意形状的三维漫反射 表面的物体 ,是一种无接触的三维观测方法 ,而且不 论物体表面光洁度如何 , 都能达到波长量级的分辨 率 . 研究者采用同轴数字全息与相位恢复算法相结 合的成像方法对纯相位物体成像[10 ] ,得到的是样品 表面的位相分布 ,即可恢复样品的表面轮廓 . 这种成 像过程相当简便 ,无需任何分束镜和反射镜 ,同时也 ・845 ・
1 前言
全息技术的思想最早是由英国科学家 Dennis
Gabor [1 ] 于 1948 年提出的 , 由于受到光源等条件的
将主要介绍数字全息的基本原理和数字全息图的几 种重建方法 ,以及数字全息技术在各个方面的应用 .
2 全息技术的发展
全息技术的基本原理是 : 物体反射的光波与参 考光波相干叠加产生干涉条纹 , 被记录的这些干涉 条纹称为全息图 . 全息图在一定的条件下再现 ,便可 重现原物体逼真的三维像 . 根据全息图的记录手段 和再现方式的不同 , 一般可将全息技术分为三类 : (1) 光学全息 : 如图 1 ( a ) 所示 , 全息图的记录过程是 光学过程 ,再现过程也是利用光学照明来实现的 ,这 种全息过程就是传统的光学全息 ; ( 2) 计算全息 : 如 图 1 ( b) 所示 , 利用计算机模拟光的传播 , 通过计算 机形成全息图 ,打印全息图后微缩形成母板 ,也可用 激光直写系统形成计算机全息图 ( CHG) , 或利用液 晶光阀 (LCD) 或空间光调制器显示全息图 , 利用光
1
A kk
∑G a1 exp ( i <1 ) ] ,
kj j j
( 7)
图2 利用杨 - 顾相位恢复算法重建的图像 (a) 全息图 ; ( b) 重 建图像
a1 k = Abs [
∑G 3 a2 exp ( i <2 )
jk j j
-
j ≠k
A ∑
kj a1 j exp
( i <1 j ) ] , ( 8)
33 卷 (2004 年) 11 期
通讯联系人 . E2mail :yzhang @mail. cnu. edu. cn
・843 ・
物理学和高新技术 学照明重现 ,这样的全息方法称作计算全息 ; ( 3) 数 字全息 : 如图 1 ( c ) 所示 , 它是由顾德门[2 ] 在 1967 年 提出的一种新的全息成像方法 ,以 CCD 等光电耦合 器件取代传统的干版记录全息图 , 并由计算机以数 字的形式对全息图进行再现 , 但是当时受到各种条 件的制约 ,一直没有重大的进展 . 随着计算机技术的 发展和高分辨 CCD 等电荷耦合器件的出现 ,数字全 息技术才得到迅速的发展 . 数字全息图从形式上可 以分为四种类型 : ( 1) 像面数字全息图 ; ( 2) 数字全息 干涉图 ; ( 3 ) 位相数字全息图 ; ( 4 ) 傅里叶变换全息 图 . 根据记录光路的不同 ,数字全息分为同轴和离轴 两种 ,前者是参考光和物光共线 ,对记录材料的分辨 率要求很低 ,适用于对微小物体的研究 ; 而后者是参 考光和物光成一定的夹角 , 对记录材料的分辨率要 求很高 ,适用于对大物体和不透明物体的研究 . 列干涉条纹 ,要得到物体的再现像 ,必须对全息图进 行重建处理 . 就光学全息和计算全息而言 ,其重建过 程属于光学再现过程 , 即将记录物体全部信息的全 息图经过一系列处理以后 ,用适当的光照明全息图 , 光通过全息图时的衍射光和衍射光之间的干涉形成 了与原物光波相似的光波 ,构成物体的再现像 . 对于 数字全息来说 , 是先将 CCD 记录的全息图数字化 , 然后在计算机中重建物体的再现像 ,由此可见 ,重建 方法直接影响再现像的效果 , 选择适当的数值重建 方法是至关重要的 , 为此我们将介绍几种常见的数 值重建处理方法 :
π i
2
2
2
2
j ・m l ・n + M N ( 1)
,
ζ, 式中忽略了不重要的常数和相位因子 . M , N ,Δ Δ η分别是 CCD 芯片在两个垂直方向上的像素数和 像素尺寸 . ( 1) 式表示了全息图 h ( x , y ) 与参考光 r ( x , y ) 乘积的逆菲涅耳变换 . 物波的相位和强度由 下面两式给出 : < ( m , n) = arctan
物理
物理学和高新技术 光场的传播特性 . 3. 3 相移法 由于 CCD 的有效面积十分小 ,大大限制了离轴 结构的应用 ,而同轴结构可充分利用数字成像器件 的空间带宽积 ,被广泛地应用在数字全息中 ,但是在 这种情况下 ,物体的像 、 共轭像和参考光是重叠在一 起的 . 为了消除零级和共轭像 ,Zhang 和 Yamaguchi[6 ] 提出了四步相移法 ,即在参考光束中分别引入 90° 的 相移 ,记录下四幅全息图 Ik ( k = 0 ,1 ,2 ,3) ,全息图平 面的物光波可以通过这些全息图得到 :
( 4)
3 数字全息的重建方法
根据全息技术的基本原理 , 我们知道全息图只 是记录了物光波和参考光波相干叠加时产生的一系 ・844 ・
的卷积 . 因此 ,我们可以利用解卷积的方法来重建原 物像 ,即
u′= F { F[ h ・r ] ・ F[ g ]} .
-1
( 5)
这种方法与菲涅耳变换的主要区别在于利用它得到 的重建像的尺寸不随重建距离 d′ 变化 [5 ] ,便于研究
( m , n) Im u′ ( m , n) Re u′
3
[ - ππ , ],
( 2)
( m , n) ・u′ ( m , n) . I ( m , n) = u′
( 3)
虽然利用离轴的方法可以有效地分离物像 、 共轭像 和直流项 ,但是要求所使用的 CCD 具有足够大的空 间带宽积 . 还有一些改进的方法用来直接去掉直流 项和共轭像 [4 ] , 以便得到更清晰的图像 .
3 北京市科技新星计划资助项目
2004 - 03 - 18 收到初稿 ,2004 - 05 - 31 修回